David Quispe Cahuina

¿Qué es el Ciclo Miller? 

El Ciclo Miller es una variación del ciclo Otto que modifica el tiempo efectivo de compresión para reducir pérdidas por bombeo, bajar la temperatura pico y aumentar la eficiencia térmica del motor.

Para cumplir con los requisitos de las regulaciones de emisiones cada vez más estrictas, se adoptan soluciones innovadoras para reducir las emisiones de NOx de los motores diésel. En este estudio, se utilizó el software GT-Power para investigar la posibilidad de control de NOx del ciclo Miller en combinación con la recirculación de gases de escape (EGR) y la postinyección en un motor diésel. Los resultados indican que el cierre temprano de la válvula de admisión redujo el trabajo de compresión, lo que resultó en un aumento de potencia de 0,3 kW. Además, el efecto de enfriamiento del ciclo Miller redujo la temperatura máxima en 24,5 K y las emisiones de NOx en un 17,4%. La combinación del ciclo Miller y la EGR logró reducir las emisiones de NOx en un 83,7%, aunque resultó en mayores emisiones de hollín. 

Su fundamento físico es “desacoplar la relación geométrica de compresión de la relación de compresión efectiva”.

• Un motor de ciclo Miller depende de un supercargador .
• Un motor de ciclo Miller deja la válvula de admisión abierta durante parte de la carrera de compresión, de modo que el motor comprime contra la presión del sobrealimentador en lugar de la presión de las paredes del cilindro. El resultado es un aumento de la eficiencia de aproximadamente un 15 %.

En palabras simples:

El motor tiene la relación de compresión geométrica de un motor normal, pero realmente comprime menos aire gracias a un cierre adelantado o retardado de la válvula de admisión.

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 1. Fundamentos Físicos y Termodinámicos

En el ciclo Otto normal:

• La relación de compresión = volumen máximo / volumen mínimo.

• Toda la carrera del pistón se usa para comprimir aire.

En el Ciclo Miller:

• La válvula de admisión cierra antes (EIVC) o después (LIVC) del punto muerto inferior.

• El aire no se comprime en toda la carrera, se reduce la “compresión efectiva”.

Esto hace que la temperatura final de compresión sea menor:

$$T_2 = T_1\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{\gamma - 1}$$

Pero en Miller se usa una relación de compresión efectiva menor:

$$T_2^\* = T_1\left(\frac{V_{1}}{V_{2}^{ef}}\right)^{\gamma - 1}$$

⬇ Temperatura menor → ⬇ NOx, ⬇ detonación, ⬆ eficiencia.

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 2. Fundamento matemático y eficiencia

La eficiencia del ciclo Otto:

$$\eta = 1 - r^{1-\gamma}$$

En Miller se reemplaza r por una r efectiva:

$$\eta_{miller} = 1 - r_{ef}^{1 - \gamma}$$

Pero a pesar de tener menor r efectiva, se logra mantener o aumentar la eficiencia porque:

• Se aumenta la relación de expansión real.

• Se recupera energía expandiendo más tiempo.

• Se usa sobrealimentación para compensar masa de aire.

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 3. Rol de la Sobrealimentación

El ciclo Miller casi siempre va acompañado de:

• Turbo, o

• Supercargador, o

• Compresor eléctrico (e-booster).

Esto compensa la pérdida de densidad del aire por la compresión efectiva reducida.

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 4. Dinámica de gases

Ciclos de potencia de vapor y gas.

Al cerrar la válvula antes o después:

 EIVC (Early Intake Valve Closing)

• Cierre temprano.

• El pistón comprime menos masa.

• Menor trabajo de bombeo.

Ideal para:

• Vehículos híbridos.

• Motores de alta eficiencia.

 LIVC (Late Intake Valve Closing)

• La válvula sigue abierta al subir el pistón.

• Parte del aire vuelve al múltiple.

• Aumenta la expansión relativa.

Usado en:

• Motores Mazda Skyactiv.

• Motores Toyota híbridos.

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 5. Control electrónico

Para lograr el ciclo Miller moderno, se usa:

• VVT/VVT-i, VVT-L, VTEC, VANOS
  Para controlar el tiempo de cierre.

• ECU con mapas de apertura variables.

• Sensores de carga, presión, temperatura y MAF.

• Modelos predictivos para temperatura de combustión y NOx.

La ECU modifica la distribución para:

• Optimizar eficiencia.

• Evitar knock.

• Controlar emisiones.

• Administrar presión del turbo.

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 6. Ventajas del Ciclo Miller

✔ Más eficiencia térmica (hasta +20%)

✔ Menor formación de NOx

✔ Menor temperatura pico de combustión

✔ Menor tendencia a detonación

✔ Permite mayor relación de expansión

✔ Combinación ideal para turbo + híbridos

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 7. Desventajas

• Menor torque a bajas rpm sin turbo.

• Mayor complejidad de control (VVT avanzado).

• Necesita compresores/turbos optimizados.

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 8. Aplicaciones en la industria automotriz

Toyota Hybrid Synergy Drive

Ciclo Atkinson/Miller para eficiencia (Prius, Corolla Hybrid).

Mazda Skyactiv-G

LIVC con compresión 14:1.

Motores diésel de última generación

Estrategias tipo Miller con turbos de geometría variable.

Motores marítimos y generadores industriales

Ciclo Miller verdadero con compresor y turbo enormes.

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Resumen ultra técnico

El Ciclo Miller reduce la compresión efectiva manteniendo alta expansión, disminuye la temperatura de combustión y aumenta la eficiencia. Logra esto manipulando el cierre de la válvula de admisión mediante control electrónico avanzado y se apoya en sobrealimentación para mantener el llenado del cilindro.

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Resumen del diagrama P-V

Características del Ciclo Miller:

• Compresión efectiva menor: Se cierra la admisión antes del PMI
• Expansión completa: Mantiene la carrera completa del pistón
• Mayor trabajo extraído: Área bajo la curva de expansión aumenta
• Menores temperaturas: Reduce presión máxima y riesgo de detonación